XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Приливные колебания уровня в океанах происходят периодически: суточные с периодом 24 часа 50 минут и полусуточные с периодом 12 часов 25 минут. Разность уровней самого высокого и самого низкого – это высота прилива. Она колеблется от 0,5 до 10-11 метров. Во время приливов и отливов возникают приливные течения, скорость которых в проливах между островами достигает 4-5 м/с. Причиной возникновения приливов является гравитационное взаимодействие Земли 1 с Луной 2 и Солнцем, (рисунок 1.) Гравитационные же силы удерживают воду на поверхности вращающейся Земли. Плоскость вращения Луны относительно Земли имеет наклон относительно плоскости эклектики (в которой Земля вращается относительно Солнца) и дважды в течение солнечных суток Луна проходит через экваториальную плоскость.

Рисунок 1 – Возникновение приливов

Если Луна находится в экваториальной плоскости Земли, океанские воды втягиваются в пики 3 в точках – максимально приближенной и удаленной от Луны. В ближайшей к луне точке действует увеличенная сила лунного притяжения и уменьшенная центробежная сила, в наиболее удаленной точке- уменьшенная сила лунного притяжения и увеличенная центробежная сила. Это полусуточные приливы. Они наблюдаются в любой точке два раза в сутки. Обычно Луна не находится в экваториальной плоскости Земли. Поэтому приливы в этой точке возникают также 1 раз в сутки. Это суточные приливы. На величину возникающих приливов оказывает влияние меняющееся расстояние между Луной и Землёй, совпадение или несовпадение Лунных и Солнечных приливов, место, в котором наблюдается прилив, открытый океан или вблизи побережья, в устьях рек и прочие.

Основной период приливов полусуточный. Приливы с такой периодичностью преобладают в Мировом океане. Наблюдаются также приливы суточные и смешанные. Характеристики смешанных приливов изменяются в течение месяца в зависимости от склонения Луны.

В открытом море подъем водной поверхности во время прилива не превышает 1 м. Значительно большей величины приливы достигают в устьях рек, проливах и в постепенно суживающихся заливах с извилистой береговой линией. Наибольшей величины приливы достигают в заливе Фанди (Атлантическое побережье Канады). У порта Монктон в этом заливе уровень воды во время прилива поднимается на 19,6 м. В Англии, в устье реки Северн, впадающей в Бристольский залив, наибольшая высота прилива составляет 16,3 м. На Атлантическом побережье Франции, у Гранвиля, прилив достигает высоты 14,7 м, а в районе Сен-Мало до 14 м. Во внутренних морях приливы незначительны. Так, в Финском заливе, вблизи Ленинграда, величина прилива не превышает 4...5 см, в Черном море, у Трапезунда, доходит до 8 см.

Поднятия и опускания водной поверхности во время приливов и отливов сопровождаются горизонтальными приливо-отливными течениями. Скорость этих течений во время сизигий в 2...3 раза больше, чем во время квадратур. Приливные течения в моменты наибольших скоростей называют «живой водой».

Приливная электростанция (ПЭС) может быть расположена непосредственно в приливном течении, (рисунок 2.)

Рисунок 2 – Приливная энергоустановка

Другой вариант расположения ПЭС – бассейн, отделённый от океана дамбой или плотиной. Во время прилива вода в бассейне поднимается на максимальную высоту. При отливе масса воды пропускается через турбину, вырабатывая электроэнергию. Развитие приливной энергетики возможно в местах с большими высотами приливов и большими потенциалами приливной энергии, например, на побережье Северной Америки (9…11м), в западной Африке 5м, на побережье Белого, Баренцева морей, во Франции (Бретань), Великобритании (Северн), Ирландии, Австралии. Приливные энергоустановки характеризуются большими капитальными затратами. Капитальные затраты на строительство ПЭС могут быть снижены решением комплексных хозяйственных задач: одновременным строительством дорог вдоль дамб, улучшением условий судоходства, снижением расхода дорогого дизельного топлива и так далее. Крупнейшие приливные электростанции:

Ла Ранс – Франция – 240.000 кВт – 24 турбины – 1967г.

Аннаполис – Канада – 20.000 кВт – 1 турбина – 1984г.

Джянгксия – Китай – 3.900 кВт – 6 турбин – 1986г.

Байсхакоу – Китай – 640 кВт – 4 турбины – 1985г.

Кислогубская – Россия – 400 кВт – 1 турбина – 1968г.

Мировое сообщество предполагает лидирующее использование в ХХI веке экологически чистой и возобновляемой энергии морских приливов. Ее запасы могут обеспечить до 15 % современного энергопотребления. 33-летний опыт эксплуатации первых в мире ПЭС - Ранс во Франции и Кислогубской в России - доказали, что приливные электростанции:

-устойчиво работают в энергосистемах, как в базе, так и в пике графика нагрузок при гарантированной постоянной месячной выработке электроэнергии;

-не загрязняют атмосферу вредными выбросами в отличие от тепловых станций;

-не затапливают земель в отличие от гидроэлектростанций;

-не представляют потенциальной опасности в отличие от атомных станций;

-капитальные вложения на сооружения ПЭС не превышают затрат на ГЭС благодаря апробированному в России наплавному способу строительства (без перемычек) и применению нового технологичного ортогонального гидроагрегата;

-стоимость электроэнергии самая дешевая в энергосистеме (доказано за 35 лет на ПЭС Ранс - Франция).

Экологический эффект (на примере Мезенской ПЭС) заключается в предотвращении выброса 17,7 млн. тонн углекислого газа (СО2) в год, что при стоимости компенсации выброса 1 тонны СО2 в 10 USD (данные Мировой энергетической конференции 1992 г.) может приносить по формуле Киотского протокола ежегодный доход около 1,7 млрд. USD.

В России обоснования проектов ПЭС осуществляются на специализированной морской научной базе на Баренцевом море, где идут исследования морских материалов, конструкций, оборудования и антикоррозионных технологий.Российские специалисты по приливной энергии в институтах Гидропроект и НИИЭС осуществляют полный комплекс проектных и научно-исследовательских работ по созданию морских энергетических и гидротехнических сооружений на побережье и на шельфе, в том числе в условиях Крайнего Севера, позволяющие в полной мере реализовать все преимущества приливной гидроэнергетики.

Экологическая характеристика приливных электростанций

Экологическая безопасность:

1) плотины ПЭС биологически проницаемы

2) пропуск рыбы через ПЭС происходит практически беспрепятственно

3) натурные испытания на Кислогубской ПЭС не обнаружили погибшей рыбы или ее повреждений (исследования Полярного института рыбного хозяйства и океанологии)

4) основная кормовая база рыбного стада - планктон: на ПЭС гибнет 5-10 % планктона, а на ГЭС - 83-99 %

5) снижение солености воды в бассейне ПЭС, определяющее экологическое состояние морской фауны и льда составляет 0,05-0,07 %, т.е. практически неощутимо

6) ледовый режим в бассейне ПЭС смягчается

7) в бассейне исчезают торосы и предпосылки к их образованию

8) не наблюдается нажимного действия льда на сооружение

9) размыв дна и движение наносов полностью стабилизируются в течение первых двух лет эксплуатации

10) наплавной способ строительства дает возможность не возводить в створах ПЭС временные крупные стройбазы, сооружать перемычки и прочее, что способствует сохранению окружающей среды в районе ПЭС

11) исключен выброс вредных газов, золы, радиоактивных и тепловых отходов, добыча, транспортировка, переработка, сжигание и захоронение топлива, предотвращение сжигания кислорода воздуха, затопление территорий, угроза волны прорыва

12) ПЭС не угрожает человеку, а изменения в районе ее эксплуатации имеют лишь локальный характер, причем, в основном, в положительном направлении.

Энергетическая характеристика приливных электростанций

Приливная энергия:

возобновляема

неизменна в месячном (сезонном и многолетнем) периодах на весь срок эксплуатации

независима от водности года и наличия топлива.

используется совместно с электростанциями других типов в энергосистемах как в базе, так и в пике графика нагрузок.

Экономическое обоснование приливных электростанций.

Стоимость энергии на ПЭС самая низкая в энергосистеме по сравнению со стоимостью энергии на всех других типах электростанций, что доказано за 33-летнюю эксплуатацию промышленной ПЭС Ранс во Франции - в энергосистеме Electricite de France в центре Европы.

За 1995 г. стоимость 1кВт.ч электроэнергии ( в сантимах) на:

ПЭС -18,5

ГЭС -22,61

ТЭС -34,2

АЭС -26,15

Себестоимость кВт*ч электроэнергии (в ценах 1996 г.) в ТЭО Тугурской ПЭС - 2,4 коп., в проекте Амгуеньской АЭС - 8,7 коп. ТЭО Тугурской (1996 г.) и материалы к ТЭО Мезенской ПЭС (1999 г.) благодаря применению эффективных технологий и нового оборудования впервые обосновали равнозначность капитальных затрат и сроков строительства крупных ПЭС и новых ГЭС в идентичных условиях.

Воздействие ПЭС на окружающую среду

Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду может быть связано с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это может приводить к затоплению суши и сооружений при высоких приливах или штормах и к попаданию соленой воды в устья рек и подземные водоносные слои. Водные сообщества организмов в приливной зоне могут пострадать в результате изменения уровня воды и усилившихся течений как за плотиной, так и перед ней. Прохождение через турбины также небезопасно для водных организмов.

Экологическая безопасность ПЭС была доказана исследованиями за рубежом и в России. Биологическая стабилизация водного сообщества организмов произошла через 10 лет и сохраняется благодаря водообмену с морем. Кроме того наблюдается увеличение рыбной массы и урожая моллюсков на подводных плантациях.

На Кислогубской ПЭС проводились опытные пропуски промысловой рыбы через плотину. В результате ни одна из выловленных особей не получила повреждений. Установлено, что на капсульном гидроагрегате ПЭС гибнет всего 4…5 % биомассы планктона. Тогда как на гидроагрегате ГЭС - до 85 %.

Одним из основных экологических преимуществ ПЭС является отсутствие затопляемых земель, так как бассейн образуется естественным путем без затопления берегов.

Литература

Беззубцева М.М., Волков В.С. , Пиркин А.Г., Фокин С.А. Энергетика технологических процессов – учебное пособие, 2011. – СПб.: СПбГАУ, 117с.

Учебник «Приливные электростанции» Л.Б. Бернштейн

Усачев И.Н. Приливные электростанции.

ttp://nnhpe.spbstu.ru/wp-content/uploads/2015/01/Statiya_NIIES.pdf

Код для цитирования: Скопировать